一種適用于降低金屬材料殘余應(yīng)力的熱電復(fù)合處理的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于降低金屬材料殘余應(yīng)力的熱電復(fù)合處理的方法，包括：步驟1.準(zhǔn)備試樣；步驟2.將待處理金屬工件（4）置于脈沖電源電極兩端；步驟3.將紅外加熱管（2）置于待處理金屬工件（4）表面附近；步驟4.啟動(dòng)紅外加熱控制器（1），設(shè)定紅外加熱溫度為180℃-190℃；步驟5.當(dāng)紅外加熱溫度到達(dá)180℃后，同時(shí)啟動(dòng)脈沖電源（5）；步驟6.紅外加熱管（2）與脈沖電源（5）同時(shí)工作，工作時(shí)間為10min，直至整個(gè)處理過程結(jié)束，即完成對(duì)待處理金屬工件（4）的處理。本發(fā)明利用便攜可移動(dòng)的紅外加熱裝置對(duì)金屬材料進(jìn)行溫度可控的低溫?zé)釄?chǎng)處理，克服了傳統(tǒng)熱處理中加熱時(shí)間長、需要將工件整體放入不便于進(jìn)行其它操作的問題。
【專利說明】一種適用于降低金屬材料殘余應(yīng)力的熱電復(fù)合處理的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種適用于降低金屬材料殘余應(yīng)力的熱電復(fù)合處理法。
【背景技術(shù)】
[0002]殘余應(yīng)力是由于位錯(cuò)在晶粒中的不均勻分布導(dǎo)致材料內(nèi)部微觀粒子處于高能不穩(wěn)定狀態(tài)所造成的，因此為了消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，需要通過外部施加有效的作用力，這樣就可能打開這些相互糾纏的位錯(cuò)結(jié)點(diǎn)，開通堆積受阻的位錯(cuò)塞積群，使得位錯(cuò)形態(tài)逐漸湮沒，位錯(cuò)密度減少，并且使剩余位錯(cuò)排列更為規(guī)則整齊，達(dá)到降低殘余應(yīng)力的目的。
[0003]金屬材料內(nèi)的殘余應(yīng)力對(duì)材料的機(jī)械性能有著重要影響，如何降低金屬材料的殘余應(yīng)力一直是材料加工領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。目前降低殘余應(yīng)力的方法主要有熱處理,激振處理，電流處理,磁場(chǎng)處理，電磁復(fù)合處理,脈沖電流輔助加熱的焊接方法等。
[0004]熱處理可以有效降低鐵磁性材料中的殘余應(yīng)力，但加熱溫度高易引起顯著變形，引發(fā)釋放裂紋與回火脆性，能耗高且表面有氧化；
[0005]激振處理采用機(jī)械振動(dòng)方法降低殘余應(yīng)力，但處理效果不是很顯著；
[0006]電流處理是通過注入電能激勵(lì)內(nèi)部分子，最終降低或消除殘余應(yīng)力，但受功率限制，材料適用體積有限；
[0007]磁場(chǎng)處理是在高頻衰減磁場(chǎng)作用下，使殘余應(yīng)力的不均分布狀態(tài)在多次重新分布過程中相互抵銷或減弱，實(shí)現(xiàn)去除殘余應(yīng)力的目的，但該方法僅適用于導(dǎo)磁性材料，應(yīng)用范圍較窄；
[0008]電磁復(fù)合處理是在高密度脈沖電流和脈沖磁場(chǎng)的共同作用下，使殘余應(yīng)力得到降低，但該方法僅適用于導(dǎo)磁性金屬材料，且高密度脈沖電源與勵(lì)磁電源裝置造價(jià)昂貴，通用性較差。
[0009]其中，
【公開日】為2012年10月3日，申請(qǐng)?zhí)枮?201210210083.8的發(fā)明專利“脈沖電流輔助加熱的低溫快速擴(kuò)散焊接裝置及其焊接方法”是將脈沖大電流熱加工技術(shù)與擴(kuò)散焊接方法相結(jié)合，以石墨體輻射熱為主，以焊接界面接觸電阻熱和放電熱為輔，通過脈沖電流在待連接界面產(chǎn)生的電阻熱和放電熱形成原始液相，并借助較小的外加擠壓力實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散焊接，并且最高溫度區(qū)域集中于連接材料的界面處，避免了傳統(tǒng)焊接方法要求連接材料和被連接材料都必須經(jīng)歷完全相同焊接熱循環(huán)的弊端，因此有效的降低接頭焊接殘余應(yīng)力。但該方法針對(duì)兩種不同材料間的焊接問題，適用對(duì)象僅限于焊接殘余應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種通過紅外加熱與脈沖電流復(fù)合降低金屬材料殘余應(yīng)力的方法，該方法以一種經(jīng)濟(jì)有效的手段達(dá)到降低金屬材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的目的。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種降低金屬材料殘余應(yīng)力的熱電復(fù)合裝置，包括:紅外加熱控制器、紅外加熱管、熱電偶、脈沖電源，其中，紅外加熱控制器通過導(dǎo)線與紅外加熱管和熱電偶相連，紅外加熱管用于對(duì)待處理金屬工件進(jìn)行照射加熱處理，熱電偶用于采集待處理金屬工件的溫度變化情況并將結(jié)果反饋至紅外加熱控制器，由紅外加熱控制器對(duì)紅外加熱管的照射功率進(jìn)行調(diào)控。脈沖電源通過兩端電極對(duì)待處理金屬工件進(jìn)行脈沖放電處理，待處理金屬工件通過導(dǎo)線與脈沖電源的兩個(gè)電極相連，并置于紅外加熱管的正上方。
[0012]進(jìn)一步地，本發(fā)明還提出一種熱電復(fù)合裝置消除金屬材料殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:
[0013]步驟1、準(zhǔn)備試樣，將經(jīng)過磨削加工后的金屬材料制作為待處理金屬工件，將待處理金屬工件的兩側(cè)面用砂紙打磨光亮，使待處理金屬工件兩側(cè)暴露有效電極接觸點(diǎn)；
[0014]步驟2、將待處理金屬工件置于脈沖電源電極兩端，待處理金屬工件兩側(cè)與脈沖電源通過導(dǎo)線直接相連，在脈沖電源電極和待處理金屬工件夾緊接觸的地方涂上導(dǎo)電膏，以減小接觸電阻；
[0015]步驟3、將紅外加熱管置于待處理金屬工件表面附近，熱電偶與待處理金屬工件接觸的地方涂以導(dǎo)熱硅脂，熱電偶用于采集待處理金屬工件的溫度變化情況；
[0016]步驟4、啟動(dòng)紅外加熱控制器，設(shè)定紅外加熱溫度為180°C _190°C，設(shè)置完畢后按下運(yùn)行按鈕，開始紅外加熱處理；
[0017]步驟5、當(dāng)紅外加熱溫度到達(dá)180°C后，同時(shí)啟動(dòng)脈沖電源(5)，設(shè)定脈沖電流峰值為1000A，單個(gè)電脈沖作用時(shí)間為100ms，打開脈沖電源(5)上的脈沖定時(shí)器，設(shè)定每次中斷時(shí)間為5s，設(shè)置完畢后按下運(yùn)行按鈕，開始電脈沖處理；
[0018]步驟6、紅外加熱管`與脈沖電源同時(shí)工作，工作時(shí)間為lOmin，直至整個(gè)處理過程結(jié)束，即完成對(duì)待處理金屬工件的處理。
[0019]本發(fā)明的有益效果
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種適用于降低金屬材料殘余應(yīng)力的熱電復(fù)合處理法，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021](I)本發(fā)明首先利用低溫?zé)釄?chǎng)使原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，減少了位錯(cuò)的聚集，使位錯(cuò)數(shù)量下降并均勻分布于組織，降低了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。同時(shí)低溫加熱處理可以避免材料表面氧化、脫碳、組織及使用性能下降等弊端。再通以脈沖電流時(shí)，由于電致塑性效應(yīng)，流變應(yīng)力大大降低，有利于原子的擴(kuò)散和晶界的滑移，造成位錯(cuò)的重新分布以及結(jié)構(gòu)變化，使儲(chǔ)存在材料中的彈性應(yīng)變能釋放出來，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的消除。熱電復(fù)合降低殘余應(yīng)力的方法中，熱場(chǎng)提供動(dòng)力，而電流起到潤滑的作用，兩者相輔相成。
[0022](2)本發(fā)明中的熱電復(fù)合方法在降低金屬材料殘余應(yīng)力的效果上，不單單是熱處理與脈沖電流處理效果的疊加，而是出現(xiàn)一定程度上的增益效應(yīng)。
[0023](3)較傳統(tǒng)的熱處理而言，本發(fā)明中的熱電復(fù)合方法中，利用便攜可移動(dòng)的紅外加熱裝置對(duì)金屬材料進(jìn)行溫度可控的低溫?zé)釄?chǎng)處理，克服了傳統(tǒng)熱處理中加熱時(shí)間長、需要將工件整體放入不便于進(jìn)行其它操作的問題。
[0024](4)該方法裝置簡(jiǎn)單、成本低廉，具有廣泛的適用性，可以在保證材料原有性能的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)、有效的降低金屬材料的殘余應(yīng)力。
[0025](5)本發(fā)明提出的紅外加熱管與脈沖電源同時(shí)工作的方式，對(duì)金屬材料處理后實(shí)現(xiàn)了意料不到的技術(shù)效果，應(yīng)力消除的效果大大好于常規(guī)的方法。
[0026]( 6 )本發(fā)明中，在脈沖電源電極和待處理金屬工件夾緊接觸的地方涂上導(dǎo)電膏，不僅使得電阻減小，使得系統(tǒng)工作能耗極大地降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明降低金屬材料殘余應(yīng)力的示意圖；
[0028]其中:1為紅外加熱控制器，2為紅外加熱管，3為熱電偶，4為待處理金屬工件，5為脈沖電源。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0030]以下僅為本發(fā)明的較佳實(shí)例而已，但不能以此限定本發(fā)明的范圍；即大凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬于本發(fā)明專利涵蓋的范圍內(nèi)。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明的一種降低金屬材料殘余應(yīng)力的熱電復(fù)合裝置，包括:紅外加熱控制器1、紅外加熱管2、熱電偶3、待處理金屬工件4和脈沖電源5。其中，紅外加熱控制器I通過導(dǎo)線與紅外加熱管2和熱電偶3相連，紅外加熱管2用于對(duì)待處理金屬工件4進(jìn)行照射加熱處理，熱電偶3用于采集待處理金屬工件4的溫度變化情況并將結(jié)果反饋至紅外加熱控制器1，由紅外加熱控制器I對(duì)紅外加熱管2的照射功率進(jìn)行調(diào)控。脈沖電源5通過兩端電極對(duì)待處理 金屬工件4進(jìn)行脈沖放電處理，待處理金屬工件4通過導(dǎo)線與脈沖電源5的兩個(gè)電極相連,并置于紅外加熱管2的正上方。
[0032]實(shí)施例一:
[0033]以下將以20CrMnTi材料為例，說明利用本發(fā)明所述方法消除其應(yīng)力的方法。
[0034]步驟1、準(zhǔn)備試樣，將經(jīng)過磨削加工并產(chǎn)生表面燒傷的齒輪材料20CrMnTi，制作為尺寸為15mm*15mm*IOmm的待處理金屬工件4，將待處理金屬工件4的兩側(cè)面用砂紙打磨光亮，使待處理金屬工件4兩側(cè)暴露出較多的有效電極接觸點(diǎn)；
[0035]步驟2、將待處理金屬工件4置于脈沖電源電極兩端，待處理金屬工件4兩側(cè)與脈沖電源通過導(dǎo)線直接相連，在脈沖電源電極和待處理金屬工件4夾緊接觸的地方涂上導(dǎo)電膏，以減小接觸電阻；
[0036]步驟3、將紅外加熱管2置于待處理金屬工件4表面附近，熱電偶3與待處理金屬工件4接觸的地方涂以導(dǎo)熱硅脂，使得它們接觸更加可靠，熱電偶3用于采集待處理金屬工件4的溫度變化情況；
[0037]步驟4、啟動(dòng)紅外加熱控制器1，設(shè)定紅外加熱溫度為180°C，上浮空間為10°C，設(shè)置完畢后按下運(yùn)行按鈕，開始紅外加熱處理；
[0038]步驟5、當(dāng)紅外加熱溫度到達(dá)180°C后，同時(shí)啟動(dòng)脈沖電源5，設(shè)定脈沖電流峰值為1000A，單個(gè)電脈沖作用時(shí)間為100ms，打開脈沖電源5上的脈沖定時(shí)器，設(shè)定每次中斷時(shí)間為5s，設(shè)置完畢后按下運(yùn)行按鈕，開始電脈沖處理；
[0039]步驟6、紅外加熱管2與脈沖電源5同時(shí)工作，工作時(shí)間為lOmin，直至整個(gè)處理過程結(jié)束，即完成對(duì)待處理金屬工件4的處理。
[0040]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，待處理金屬工件4在進(jìn)行處理前的平均殘余應(yīng)力為810MPa，經(jīng)上述步驟的熱電復(fù)合處理后，平均殘余應(yīng)力下降至150MPa，下降81%。而僅依照上述紅外加熱參數(shù)進(jìn)行處理后待處理金屬工件4的平均殘余應(yīng)力下降至600MPa，下降26%，僅依照上述電脈沖參數(shù)進(jìn)行處理后待處理金屬工件4的平均殘余應(yīng)力下降至680MPa，下降16%。上述實(shí)驗(yàn)表明，熱電復(fù)合處理方法相對(duì)于單獨(dú)的熱處理和電脈沖處理，表現(xiàn)出較大程度上的增益效應(yīng)。
[0041]實(shí)施例二:
[0042]以下將以軸承鋼GCrl5材料為例，說明利用本發(fā)明所述方法消除其應(yīng)力的方法。
[0043]步驟1、準(zhǔn)備試樣,將經(jīng)過磨削加工后的軸承鋼GCrl5,制作為15mm*15mm*IOmm的待處理金屬工件4，將待處理金屬工件4的兩側(cè)面用砂紙打磨光亮，使待處理金屬工件4兩側(cè)暴露出較多的有效電極接觸點(diǎn)；
[0044]步驟2、將待處理金屬工件4置于脈沖電源電極兩端，待處理金屬工件4兩側(cè)與脈沖電源通過導(dǎo)線直接相連，在脈沖電源電極和待處理金屬工件4夾緊接觸的地方涂上導(dǎo)電膏，以減小接觸電阻；
[0045]步驟3、將紅外加熱管2置于待處理金屬工件4表面附近，熱電偶3與待處理金屬工件4接觸的地方涂以導(dǎo)熱硅脂，使得它們接觸更加可靠，熱電偶3用于采集待處理金屬工件4的溫度變化情況；
[0046]步驟4、啟動(dòng)紅外加熱控制器1，設(shè)定紅外加熱溫度為180°C，上浮空間為10°C，設(shè)置完畢后按下運(yùn)行按鈕，開始紅外加熱處理；
[0047]步驟5、當(dāng)紅外 加熱溫度到達(dá)180°C后，同時(shí)啟動(dòng)脈沖電源5，設(shè)定脈沖電流峰值為1000A，單個(gè)電脈沖作用時(shí)間為100ms，打開脈沖電源5上的脈沖定時(shí)器，設(shè)定每次中斷時(shí)間為5s，設(shè)置完畢后按下運(yùn)行按鈕，開始電脈沖處理；
[0048]步驟6、紅外加熱管2與脈沖電源5同時(shí)工作，工作時(shí)間為lOmin，直至整個(gè)處理過程結(jié)束，即完成對(duì)待處理金屬工件4的處理。
[0049]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，待處理金屬工件4在進(jìn)行處理前的平均殘余應(yīng)力為450MPa，經(jīng)上述步驟的熱電復(fù)合處理后，平均殘余應(yīng)力下降至50MPa，下降89%。而僅依照上述紅外加熱參數(shù)進(jìn)行處理后待處理金屬工件4的平均殘余應(yīng)力下降至310MPa，下降31%，僅依照上述電脈沖參數(shù)進(jìn)行處理后待處理金屬工件4的平均殘余應(yīng)力下降至360MPa，下降20%。上述實(shí)驗(yàn)表明，熱電復(fù)合處理方法相對(duì)于單獨(dú)的熱處理和電脈沖處理，表現(xiàn)出較大程度上的增益效應(yīng)。
[0050]實(shí)施例三:
[0051]以下將以鋼軌材料U71Mn為例，說明利用本發(fā)明所述方法消除其應(yīng)力的方法。
[0052]步驟1、準(zhǔn)備試樣，將經(jīng)過磨削加工后的鋼軌材料U71Mn,制作為15mm*15mm*IOmm的待處理金屬工件4，將待處理金屬工件4的兩側(cè)面用砂紙打磨光亮，使待處理金屬工件4兩側(cè)暴露出較多的有效電極接觸點(diǎn)；
[0053]步驟2、將待處理金屬工件4置于脈沖電源電極兩端，待處理金屬工件4兩側(cè)與脈沖電源通過導(dǎo)線直接相連，在脈沖電源電極和待處理金屬工件4夾緊接觸的地方涂上導(dǎo)電膏，以減小接觸電阻；
[0054]步驟3、將紅外加熱管2置于待處理金屬工件4表面附近，熱電偶3與待處理金屬工件4接觸的地方涂以導(dǎo)熱硅脂，使得它們接觸更加可靠，熱電偶3用于采集待處理金屬工件4的溫度變化情況；
[0055]步驟4、啟動(dòng)紅外加熱控制器1，設(shè)定紅外加熱溫度為180°C，上浮空間為10°C，設(shè)置完畢后按下運(yùn)行按鈕，開始紅外加熱處理；
[0056]步驟5、當(dāng)紅外加熱溫度到達(dá)180°C后，同時(shí)啟動(dòng)脈沖電源5，設(shè)定脈沖電流峰值為1000A，單個(gè)電脈沖作用時(shí)間為100ms，打開脈沖電源5上的脈沖定時(shí)器，設(shè)定每次中斷時(shí)間為5s，設(shè)置完畢后按下運(yùn)行按鈕，開始電脈沖處理；
[0057]步驟6、紅外加熱管2與脈沖電源5同時(shí)工作，工作時(shí)間為lOmin，直至整個(gè)處理過程結(jié)束，即完成對(duì)待處理金屬工件4的處理。
[0058]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，待處理金屬工件4在進(jìn)行處理前的平均殘余應(yīng)力為720MPa，經(jīng)上述步驟的熱電復(fù)合處理后，平均殘余應(yīng)力下降至90MPa，下降87%。而僅依照上述紅外加熱參數(shù)進(jìn)行處理后待處理金屬工件4的平均殘余應(yīng)力下降至540MPa，下降25%，僅依照上述電脈沖參數(shù)進(jìn)行處理后待處理金屬工件4的平均殘余應(yīng)力下降至580MPa，下降19%。上述實(shí)驗(yàn)表明，熱電復(fù)合處理方法相對(duì)于單獨(dú)的熱處理和電脈沖處理，表現(xiàn)出較大程度上的增益效應(yīng)。
[0059]盡管參考附圖詳細(xì)地公開了本發(fā)明，但應(yīng)理解的是，這些描述僅僅是示例性的，并非用來限制本發(fā)明的應(yīng)用。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附加權(quán)利要求限定，并可包括在不脫離本發(fā)明保護(hù)范圍和精神的情況下`針對(duì)發(fā)明所作的各種變型、改型及等效方案。
【權(quán)利要求】
1.一種降低金屬材料殘余應(yīng)力的熱電復(fù)合裝置，包括:紅外加熱控制器(1)、紅外加熱管(2)、熱電偶(3)、脈沖電源(5)，其中，紅外加熱控制器(1)通過導(dǎo)線與紅外加熱管(2)和熱電偶(3)相連，紅外加熱管(2)用于對(duì)待處理金屬工件(4)進(jìn)行照射加熱處理，熱電偶(3)用于采集待處理金屬工件(4)的溫度變化情況并將結(jié)果反饋至紅外加熱控制器(1)，由紅外加熱控制器(I)對(duì)紅外加熱管(2)的照射功率進(jìn)行調(diào)控； 脈沖電源(5)通過兩端電極對(duì)待處理金屬工件(4)進(jìn)行脈沖放電處理，待處理金屬工件(4)通過導(dǎo)線與脈沖電源(5)的兩個(gè)電極相連，并置于紅外加熱管(2)的正上方。
2.利用權(quán)利要求1所述的熱電復(fù)合裝置消除金屬材料殘余應(yīng)力的方法，其特征在于: 步驟1、準(zhǔn)備試樣，將經(jīng)過磨削加工后的金屬材料制作為尺寸為15mm*15mm*IOmm的待處理金屬工件(4)，將待處理金屬工件(4)的兩側(cè)面用砂紙打磨光亮，使待處理金屬工件(4)兩側(cè)暴露有效電極接觸點(diǎn)； 步驟2、將待處理金屬工件(4)置于脈沖電源電極兩端，待處理金屬工件(4)兩側(cè)與脈沖電源通過導(dǎo)線直接相連，在脈沖電源電極和待處理金屬工件(4)夾緊接觸的地方涂上導(dǎo)電膏，以減小接觸電阻； 步驟3、將紅外加熱管(2)置于待處理金屬工件(4)表面附近，熱電偶(3)與待處理金屬工件(4)接觸的地方涂以導(dǎo)熱硅脂，熱電偶(3)用于采集待處理金屬工件(4)的溫度變化情況； 步驟4、啟動(dòng)紅外加熱控制器(1)，設(shè)定紅外加熱溫度為180°C _190°C，設(shè)置完畢后按下運(yùn)行按鈕，開始紅外加熱處理； 步驟5、當(dāng)紅外加熱溫度到達(dá)180°C后，同時(shí)啟動(dòng)脈沖電源(5)，設(shè)定脈沖電流峰值為1000A，單個(gè)電脈沖作用時(shí)間為100ms，打開脈沖電源(5)上的脈沖定時(shí)器，設(shè)定每次中斷時(shí)間為5s，設(shè)置完畢后按下運(yùn)行按鈕，開始電脈沖處理； 步驟6、紅外加熱管(2)與脈沖電源(5)同時(shí)工作，工作時(shí)間為lOmin，直至整個(gè)處理過程結(jié)束，即完成對(duì)待處理金屬工件(4)的處理。
【文檔編號(hào)】C21D10/00GK103805770SQ201410029335
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】尚振濤, 賈瑩, 金灘, 占國棟, 翟少朋, 彭思為, 謝桂芝 申請(qǐng)人:湖大海捷(湖南)工程技術(shù)研究有限公司, 湖南大學(xué)